表面合金化原理

表面工程概論實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容等離子表面冶金爐）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該設(shè)備抽氣系統(tǒng)設(shè)置機(jī)械泵和擴(kuò)散泵。根據(jù)工作要求，爐內(nèi)可獲得低真空和中高真空。在爐壁設(shè)置一弧靶，從爐底引入兩陰極柱。當(dāng)系統(tǒng)抽到高真空時(shí)，利用弧靶和一個(gè)陰極靶（弧靶提供金屬離子，陰極上懸掛工件），可以實(shí)現(xiàn)在金屬工件上鍍金屬膜層、鍍金屬化合物膜層。當(dāng)系統(tǒng)抽到初、中真空時(shí)，利用弧靶和一個(gè)陰極靶，可以進(jìn)行弧光輝光滲金屬。利用兩個(gè)陰極靶，一個(gè)陰極靶懸掛欲滲金屬，另一個(gè)陰極靶懸掛工件，進(jìn)行雙層輝光離子滲金屬。本設(shè)備實(shí)現(xiàn)弧光、輝光滲金屬技術(shù)的復(fù)合。2）表面合金化原理及設(shè)備功能一、表面合金化原理①雙層輝光滲金屬技術(shù)雙層輝光離子滲金屬技術(shù)是利用真空條件下雙層輝光放電所產(chǎn)生的低溫等離子體而形成的一種等離子表面冶金方法。其主要功能是在可導(dǎo)電材料表面形成具有特殊物理化學(xué)性能的合金層。例如在普通碳鋼表面形成高速鋼、不銹鋼和鎳基合金等。在鈦及鈦合金表面形成各種耐磨、耐蝕、抗高溫氧化的合金層和在金屬材料表面形成高硬耐磨的金屬陶瓷復(fù)合層等。雙層輝光離子滲金屬原理圖。抽真空至IPa左右后，充Ar氣至30-50Pa,陰極（即工件）置400-500V負(fù)偏壓，欲滲金屬極（稱為源極）置800-1000V負(fù)偏壓。在偏壓的作用下，氣體被點(diǎn)燃，產(chǎn)生強(qiáng)烈的輝光放電，在陰極和源極之間產(chǎn)生不等電位空心陰極效應(yīng)，使得工件被迅速加熱到高溫，使的欲滲金屬原子被濺射出來，沉積到工件表面，在高溫下，在工件表面沉積原子濃度梯度的作用下，原子通過擴(kuò)散，進(jìn)入工件表層，形成表面合金層。圖4給出利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在普通碳鋼表面獲得滲鉻層，使得普通碳鋼變?yōu)楸砻娌讳P鋼，獲得優(yōu)良的耐蝕性。②加弧輝光離子滲金屬技術(shù)加弧輝光離子滲金屬原理。其特征是在雙層輝光離子滲金屬裝置中，引入冷陰極電弧源，把輝光放電和弧光放電有機(jī)的結(jié)合起來，在被處理工件周圍設(shè)置輔助陰極，利用輝光放電空心陰極效應(yīng)使工件迅速升溫。本設(shè)備同時(shí)在真空容器壁上設(shè)置一個(gè)金屬陰極電弧靶源，利用真空電弧放電引燃電弧源，不斷地發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的欲滲金屬離子流，在工件負(fù)偏壓的作用下加速到達(dá)工件表面。依靠擴(kuò)散和離子轟擊作用快速滲入工件表面，在工件表面可以形成滲層、鍍層、滲鍍結(jié)合層。二、功能：利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，在金屬材料表面可滲入特定的合金元素，包括幾乎所有的高熔點(diǎn)金屬，女如V、Mo、Cr、Ni等，可大幅度提高材料表面的耐磨、耐腐蝕性能；強(qiáng)化材料表面，提高抗疲勞性能；提高材料的抗高溫氧化性能；同時(shí)也可生成具有特殊功能的合金層。用石墨作源極，可在鈦合金表面實(shí)現(xiàn)無氫滲碳，提高鈦合金的耐磨性。雙層輝光離子滲金屬技術(shù)具有節(jié)約貴金屬，節(jié)省能源、無公害，并可大面積處理及表面合金成份可控等顯著優(yōu)點(diǎn)。已成功地應(yīng)用于手用鋸條，機(jī)用鋸條，大型鋼板，化工用閥門及液體泵，鋼窗附件以及汽車排氣閥等。是一項(xiàng)有廣闊應(yīng)用前景的表面工程技術(shù)。利用雙層輝光滲金屬技術(shù)生產(chǎn)的表面高速鋼手用鋸條，此鋸條具有國(guó)外雙金屬鋸條相近的性能，而成本僅為雙金屬鋸條的一半。利用加弧輝光離子滲金屬技術(shù)，同樣可在金屬表面實(shí)現(xiàn)特定金屬、非金屬元素的滲入，提高材料表面的耐磨、耐腐蝕性能、抗疲勞性能；與雙輝滲相比，具有一些特點(diǎn)：1.滲速極快，平均值為300~700Pm/h；2．工件形狀不受限制，可以在爐內(nèi)任意放置；工件可以轉(zhuǎn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)均勻滲鍍；不僅可以滲鍍高熔點(diǎn)的金屬和合金如Ti,Mo,Cr,Ni,Cr-Ni,W-Mo等，還可以滲鍍低熔點(diǎn)的金屬和合金Al,Zn,Pb,Al合金等；2多功能離子鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該設(shè)備的真空抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵、羅茲泵和擴(kuò)散泵組成，用于獲得高真空。爐壁設(shè)置4個(gè)弧靶和2個(gè)磁控靶。該設(shè)備可用于多弧離子鍍膜和磁控濺射鍍膜，也可以同時(shí)工作，用途極為廣泛。鍍膜原理與設(shè)備功能一、鍍膜原理多弧離子鍍膜原理多弧離子鍍技術(shù)是采用陰極電弧蒸發(fā)源的一種離子鍍技術(shù)。陰極電弧蒸發(fā)源可以使Ti、Al、Zr、Cr等單項(xiàng)靶材，也可以是由它們組成的合金靶材。多弧離子鍍應(yīng)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)。除了具有其他各種離子鍍方法的廣泛用途外，特別是在高速鋼刀具鍍覆TiN膜層的應(yīng)用方面發(fā)展的最為迅速，并進(jìn)入了工業(yè)化階段。多弧離子鍍的基本組成包括真空鍍膜室、陰極弧源、基片、負(fù)偏壓電源、真空系統(tǒng)等。陰極弧源是多弧離子鍍的核心，它所產(chǎn)生的金屬等離子體自動(dòng)維持陰極和鍍膜室之間的弧光放電。微小弧斑在陰極靶面迅速徘徊，弧斑的電流密度很大，達(dá)到105-107A/cm2,電壓為-20V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑發(fā)射金屬蒸汽流的速度可以達(dá)到103m/s。陰極靶本身既是蒸發(fā)源，又是離化源。外加磁場(chǎng)可以改變陰極弧斑在極靶面的移動(dòng)速度，并使弧斑均勻、細(xì)化，以達(dá)到陰極靶面的均勻燒蝕，延長(zhǎng)靶的使用壽命。工件加500V左右的負(fù)偏壓。通入真空室的氮?dú)庠陉帢O等離子區(qū)被離化為N離子或活性N原子，這樣從弧靶蒸發(fā)出來的Ti離子或活性Ti原子與N離子或活性N原子生成TiN并沉積在工件表面，生成TiN膜。磁控濺射鍍膜原理磁控濺射源系統(tǒng)可以是平面磁控濺射源、圓柱面磁控濺射源和S搶型磁控濺射源。本設(shè)備采用平面磁控濺射源。其工作原理是在二極濺射的陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)形封閉磁場(chǎng)，它具有平行于靶面的橫向磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)由靶體內(nèi)的磁體產(chǎn)生。此外，磁控濺射裝置的陽極就在陰極四周，基片不在陽極上，而在靶對(duì)面的懸浮基片架上。鍍膜時(shí)，基片架可以加負(fù)偏壓，也可不加。磁控濺射與多弧離子鍍的主要區(qū)別就是用磁控濺射源取代多弧離子鍍的離子蒸發(fā)源。因此，磁控濺射的工作電壓在-400--600V。二、功能：該設(shè)備既能制備純金屬膜，也能制備金屬化合物膜或復(fù)合材料膜，既能制備單層膜，又能制備多層復(fù)合膜；既能用于裝飾鍍，也能用于功能鍍。如Ti-Al-Cr涂層用于鈦合金高溫防護(hù)涂層；TiN用于裝飾鍍；TiN、ZrN、TiC、（Ti,Al）N等超硬涂層，用于刀具或耐磨件。資料介紹，用多弧離子鍍TiN后的M3滾刀與未鍍膜層的M3滾刀的切削對(duì)比試驗(yàn)表明，前者加工的工件數(shù)是后者的8倍多，由于TiN涂層的高硬度和低的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)，使?jié)L刀使用壽命顯著提高.表1給出不同鉆頭的切削性能比較，結(jié)果顯示，隨鉆速從500r/min提高到1000r/min，鍍TiN的鉆頭的相對(duì)壽命是無涂層鉆頭的壽命從5.38倍提高到7.24倍。B品制備及前處理工藝1） 樣品的打磨2） 樣品的清洗小樣品：用丙酮、酒精清洗大樣品及樣品多時(shí)用超聲波機(jī)。水中加金屬清洗劑。洗完后清水沖洗干凈。最后手接觸樣品時(shí)戴塑料進(jìn)行，以免汗嘖污染。3） 裝爐待處理多功能鍍膜機(jī)多操功作規(guī)能程離子鍍膜機(jī)操作要點(diǎn)確認(rèn)各開關(guān)置于“關(guān)”位置合上各空氣開關(guān)開電源、開氣泵、開水泵，待指示燈亮后，開維持泵，開擴(kuò)散泵（擴(kuò)散泵加熱50分鐘后處于工作狀態(tài)）開放氣閥，打開爐門，裝入工件，檢查工件轉(zhuǎn)動(dòng)情況，各工件之間，工件與轉(zhuǎn)架不得有碰撞現(xiàn)象關(guān)閉爐門，開機(jī)械泵，開旁通閥，開鐘罩閥開壓強(qiáng)控制儀。當(dāng)PW2X102Pa時(shí)，關(guān)旁通閥，開羅茲泵當(dāng)PW1X100Pa時(shí)，關(guān)鐘罩閥，開系統(tǒng)閥，開高閥PWlXlO^Pa時(shí)，關(guān)系統(tǒng)閥，關(guān)羅茲泵，關(guān)機(jī)械泵（當(dāng)工件較大時(shí)，開加熱,開轉(zhuǎn)動(dòng)）當(dāng)PW8X1O-3Pa時(shí)，開氬氣、氮?dú)?、鋼瓶閥開關(guān)開氬氣流量計(jì)電源，開關(guān)置于“閥控”處，調(diào)節(jié)電位器，充入氮?dú)猓箟毫_(dá)到要求開轉(zhuǎn)動(dòng)電源，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)頻率15-20之間，按確認(rèn)鍵，加載開偏壓電源開關(guān)，調(diào)節(jié)百分比“60”，檔位“B”調(diào)節(jié)電位器，使電壓值在設(shè)定范圍內(nèi)開引弧電源，電壓在100V以上開弧源1，引弧，調(diào)節(jié)時(shí)間，計(jì)時(shí)，觀察電壓、電流開弧源2，引弧，關(guān)引弧1，計(jì)時(shí)，觀察電壓、電流開弧源3，引弧，關(guān)引弧2，計(jì)時(shí)，觀察電壓、電流開弧源3，引弧，關(guān)引弧2，計(jì)時(shí)，觀察電壓、電流調(diào)節(jié)偏壓電位器，使電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，計(jì)時(shí)，依次重覆14-17調(diào)節(jié)偏壓電位器，使電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，開壓強(qiáng)控制儀，閥門開關(guān)在“控制“擋，調(diào)節(jié)電位器，充入氮?dú)庠谠O(shè)定范圍，依次開啟弧電源1-4號(hào)，計(jì)時(shí)調(diào)節(jié)偏壓電源，檔位“A“，百分比”80“，電壓值在設(shè)定范圍，關(guān)氮?dú)?，增加壓?qiáng)儀電位器刻度調(diào)節(jié)偏壓電源電壓在設(shè)定范圍，計(jì)時(shí)依次關(guān)閉弧電源1-4號(hào)，關(guān)閉引弧電源壓強(qiáng)控制儀閥門開關(guān)在“測(cè)量“擋，此時(shí)，氮?dú)忾y門被關(guān)閉調(diào)節(jié)偏壓電源電位器電壓為“0“，百分比”60“，關(guān)閉電源，檔位”B“關(guān)閉溫度電源，按轉(zhuǎn)動(dòng)電源“停止“鍵，關(guān)閉轉(zhuǎn)動(dòng)電源記錄真空度數(shù)值，關(guān)閉高閥、關(guān)系統(tǒng)閥、關(guān)旁通閥、關(guān)機(jī)械泵、關(guān)擴(kuò)散泵，計(jì)時(shí)關(guān)閉氬氣、氮?dú)怃撈块y開關(guān)60分鐘后關(guān)閉維持泵，關(guān)氣泵、關(guān)水泵拉下總空氣開關(guān)建議：每星期各電源開機(jī)預(yù)熱15分鐘，泵及閥門不用開工藝要點(diǎn)及各種鍍膜參考工藝1．轟擊時(shí)間的長(zhǎng)短：取決于工件大小、厚度、干凈程度、退火溫度及自身的硬度，一般從30秒——3分鐘不等2．加熱時(shí)間：取決條件同上，一般從30秒——10分鐘鍍膜時(shí)間.：一般工況條件下，15——20分鐘，生成膜厚1Mm（鈦靶電流45-50A），可根據(jù)要求控制鍍膜時(shí)間磁控靶：磁控靶工作時(shí)，不可關(guān)閉氬氣，防止靶中毒。當(dāng)靶發(fā)生中毒時(shí)，可用氬氣濺射，直到靶表面出現(xiàn)正常輝光為止。磁控靶最大工作電流不超過2A,1-1.5A為宜弧源靶：弧電源工作時(shí)，電壓值18——20V,電流值40——60A，保護(hù)電流0——5A，保護(hù)電流超過5A時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理弧源靶與屏蔽的間隙，當(dāng)保護(hù)開關(guān)跳閘時(shí)，不要合閘，停機(jī)后檢查弧源靶磁控靶不起輝光時(shí)可加大氬氣充入量，最高可達(dá)8X10-1Pa，當(dāng)正常輝光時(shí)，再降到3X10JPa。當(dāng)靶中毒時(shí)，可充入氬氣到5X10-1Pa，開啟磁控電源，調(diào)節(jié)電壓值700V左右，發(fā)現(xiàn)靶表面有淺淺的輝光或小的放電點(diǎn)即可，不要再加電壓，當(dāng)靶自身濺射干凈后，可出現(xiàn)正常輝光，電流值0.5-1.2A左右，電壓值350-450V之間建議：當(dāng)磁控靶不用時(shí)，可用鐵板壓住現(xiàn)在的檔板，因其間隙太大多弧裝飾鍍轟擊抽至8X10-3Pa后充氬氣到8X10-2Pa,600VX0.6,依次1、2、3、4各40〃2加熱充氬氣到1X1O-iPa，充氮?dú)獾?X10-iPa,400VX0.7,1,2,3,4共1分鐘3鍍膜關(guān)氬氣，充氮?dú)獾?X10-1Pa,200VX0.8, 1,2,3,4共3分鐘150VX0.8, 1,2,3,4共5分鐘100VX0.8, 1,2,3,4共5分鐘關(guān)機(jī)多弧工具（以①6鉆頭為例）1轟擊抽至8X10-3Pa后充氬氣到4X10-2Pa,600VX0.6,依次1、2、3、4各40〃900VX0.6依次1、2、3、4各40〃加熱充氬氣到4X10-2Pa，充氮?dú)獾?X10-1Pa,600VX0.7,1,2,3,4共30〃400VX0.8,1,2,3,4共30〃鍍膜關(guān)氬氣，充氮?dú)獾?X10-1Pa,200VX0.8, 1,2,3,4共50分鐘150VX0.8, 1,2,3,4共10分鐘關(guān)機(jī)磁控1轟擊抽至8X10-3Pa后充氬氣到4X10-2Pa,600VX0.6,依次1、2、3、4各40〃900VX0.6依次1、2、3、4各40〃加熱充氬氣到2X10-1Pa, 600VX0.7,1,2,3,4共30〃400VX0.8,1,2,3,4共30〃鍍膜關(guān)弧源后，偏壓降到“0”V,再啟動(dòng)磁控靶，輝光正常后，再提升偏壓。充氬氣到3X10-1Pa,200VX0.8，磁控靶1,2共3分鐘，（35OV左右，電流1.7A左右）。氬氣不變，充氮?dú)獾?.5X10-1Pa,200VX0.8,磁控靶1,2,共10分鐘氬氣不變，充氮?dú)獾?X10-1Pa, 200VX0.8,磁控靶1,2,共10分鐘氬氣不變，充氮?dú)獾?X10-1Pa, 200VX0.8,磁控靶1,2，共30分鐘150VX0.8,磁控靶1,2共10分鐘100VX0.8磁控靶1,2共10分鐘關(guān)機(jī)注意：當(dāng)用磁控靶時(shí)，偏壓電源的電壓為0V,磁控靶正常起輝后,再提升偏壓電源的電壓到設(shè)定值。磁控靶到工件的最佳位置40-60mm.D等離子表面冶金爐操作規(guī)程1） 加弧輝光滲1.打磨并清洗工件，裝爐